CN117008243B - 一种低色散低损耗光子晶体光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种低色散低损耗光子晶体光纤。具体结构包括：包层，其中包层的中心部分设置为纤芯，在包层内外环分别分布着不同孔径的呈正六边形分布的空气小孔，在包层内环有一个双大孔对称结构。本发明的光子晶体光纤具有低色散、低损耗等优点，在400nm‑1600nm波长范围上都具有很低的限制损耗与较平坦的近零色散系数曲线，尤其在1200nm‑1550nm波长范围上具有可通过调节结构参数调整位置的色散零点。可使用于光纤通信与光纤传感等方面，且能满足超连续谱实验等特殊应用场景的使用需求。

Description

一种低色散低损耗光子晶体光纤

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种低色散低损耗光子晶体光纤。

背景技术

1987年E.Yablonovitch提出，如果将不同介电常数的介质材料组成周期结构，比如在较高折射率材料中的某些位置周期性地引入低折射率材料，光波将受到特殊介质的周期势场的影响而具有能带，这一能带与晶体中电子能量禁带类似。由于光子和原子之间的耦合与原子的始末状态密度有关，如果电磁波的带隙与电子能带的带边重叠，那么电子、空穴的辐射复合就会因状态密度的减少而受到非常强烈的抑制，这种抑制将会比金属波导更为彻底，因此这种介质结构在理论上讲损耗是极低的。由此诞生了光子晶体的概念，基于这种特殊的超材料，在后来出现了名为光子晶体光纤的特殊光纤。

光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF),也称为微结构光纤,最早由英国学者Knight等于1992年基于光子晶体的概念提出，此类光纤以空气作为光子晶体中的低折射率材料，它由纤芯及纤芯周围的包层和包层内按照一定规则进行排列的空气孔组成。它的结构设计比较灵活，一些结构参数有着较大的可调性。与一般的光纤相比，光子晶体光纤具有无截止单模传输特性、高双折射特性、高非线性特性、低损耗特性、新颖的色散特性以及可控的有效模式面积等特点，其在光纤传感、光纤通信、非线性光学以及激光等领域都有着广阔的应用前景。

在WDM系统中，光纤色散近零平坦可以使不同波长的信道色散响应一致，从而提高光纤传输效率，同时也能减小非线性的影响。相对于传统光纤，PCF具有其较大的设计自由度，可以通过改变其结构参数的大小，以及在包层空气孔中填充液体来得到特定的色散特性。在光纤中总色散近似等于材料色散与波导色散之和，而波导色散由光纤结构决定，因此可以通过上述调节来使波导色散平衡材料色散，使其在较宽的波长范围内获得近零平坦色散特性。

在高速光通信系统和长距离稳定传输光学系统中需要光纤在通信波段有很小的色散和损耗，并且需要降低两个偏振轴信号之间的耦合作用。目前已有光纤的限制性损耗较高，很难做到长距离的信号传输。且在长距离传输的过程中，光纤内会产生色散效果的累积影响，最终导致信号大幅失真。因此，设计一个低损耗且低色散的光纤是非常具有实用意义的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种结构较为灵活的光子晶体光纤，通过改进光子晶体光纤的结构，使得该光子晶体光纤具有较低的限制性损耗以及极低的色散，并且结构简单、易实现，满足在光通信和光纤传感的需求。

本发明的具体技术方案为：

一种低色散低损耗光子晶体光纤，包括包层与纤芯，其中纤芯为包层的核心部分，所述包层沿光纤的横截面方向包括内外共六层圆形空气孔阵，孔阵内共三种不同孔径的圆形空气孔，最外环两层圆形空气孔孔径较大，呈正六边形孔阵排列，两层空气孔阵列之间存在一个无气孔带状区域；较内环三层圆形空气孔孔径较小，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，呈正六边形孔阵排列；最内环一层是对称双大孔结构，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，为两个完全相同且处于对称位置的两个大孔径圆形空气孔，双大孔结构使所述光子晶体光纤结构具备2重旋转对称性。

进一步的，所述包层最外环的两层较大孔径圆形空气孔，共72个，呈正六边形孔阵排列，各孔径严格相等，孔径范围为0.6um-1um，两层空气孔阵列之间的无气孔带状区域宽度为s，参数s的取值范围为1um-1.6um。

进一步的，所述包层较内环的三层较小孔径圆形空气孔，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，共54个，呈正六边形孔阵排列，各孔径严格相等，孔径范围为0.52um-0.68um。

进一步的，所述包层最内环的对称双大孔结构，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，为两个完全相同且处于对称位置的两个大孔径圆形空气孔，孔径严格相等，孔径范围为0.6um-1um，二者圆心之间的间距为2s。

进一步的，所有左右相邻的空气孔之间的间距完全相等，为s，大孔与小孔间的间距也为s。

进一步的，任一空气孔与斜方向上的相邻空气孔的横坐标差距为s/2,纵坐标差为s。

进一步的，孔径参数与间距参数皆为可调整参数。

进一步的，可在空气孔内填充特定气体、液体、纳米颗粒、液晶任一项，实现对应的特殊光纤性质，制成对应的高灵敏度传感器。

进一步的，所述光子晶体光纤可正常工作的入射波长范围为400nm-1600nm。

进一步的，当所述光子晶体光纤的入射波长在1200nm-1600nm范围内时，色散曲线平坦近零，限制损耗较小，且在较大波长范围内存在可通过调整结构来调整的色散零点。

本发明具有以下有益效果：本发明与现有技术相比，具有很好的结构调节性，可以通过调节孔径、间距等结构参数来改变光子晶体光纤的结构，从而调整光纤的工作波段或在同一波段上的光纤特性。经过对光纤各项结构参数的优化，本发明获取了一系列实施方案，对于这些实施方案，光纤能够实现在较宽波长带宽上的低限制损耗和低色散，并且具备可随结构参数调整而移动的色散零点，因此在长距离传输和短距离高精度光信号传输上具有远超现有光纤的优异性能，且能满足相关从业人员在超宽谱实验等特定情景下零色散传输的需求。

附图说明

图1是本申请的光子晶体光纤的整体结构的剖面图。

图2是本申请的光子晶体光纤在双大孔结构里的大孔孔径d1取不同值时的色散曲线的变化图像。

图3是本申请的光子晶体光纤在双大孔结构里的大孔孔径d1取不同值时的有效模场面积的变化图像。

图4是本申请的光子晶体光纤在双大孔结构里的大孔孔径d1取不同值时的有效折射率的变化图像。

图5是本申请的光子晶体光纤较小孔径圆形空气孔阵孔径d2取不同值时的色散曲线的变化图像。

图6是本申请的光子晶体光纤较小孔径圆形空气孔阵孔径d2取不同值时的有效模场面积的变化图像。

图7是本申请的光子晶体光纤较小孔径圆形空气孔阵孔径d2取不同值时的有效折射率的变化图像。

图8是本申请的光子晶体光纤较大孔径圆形空气孔阵孔径d3取不同值时的色散曲线的变化图像。

图9是本申请的光子晶体光纤较大孔径圆形空气孔阵孔径d3取不同值时的有效模场面积的变化图像。

图10是本申请的光子晶体光纤较大孔径圆形空气孔阵孔径d3取不同值时的有效折射率的变化图像。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本发明保护的低色散低损耗光子晶体光纤，包括包层与纤芯，其中纤芯为包层的核心部分，所述包层沿光纤的横截面方向包括内外共六层圆形空气孔阵，孔阵内共三种不同孔径的圆形空气孔，最外环两层圆形空气孔孔径较大，呈正六边形孔阵排列，两层空气孔阵列之间存在一个无气孔带状区域；较内环三层圆形空气孔孔径较小，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，呈正六边形孔阵排列；最内环一层是对称双大孔结构，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，为两个完全相同且处于对称位置的两个大孔径圆形空气孔，双大孔结构使所述光子晶体光纤结构具备2重旋转对称性。

具体的，包层可以为二氧化硅，包层最外环有两层较大孔径圆形空气孔，共72个，组成严格正六边形孔阵排列，其直径严格相等，孔径范围d3为0.6um-1um，最优为1um，两层空气孔阵列之间的无气孔带状区域宽度为s，参数s的取值范围为1um-1.6um；所述包层较内环有三层较小孔径圆形空气孔，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，共54个，组成严格正六边形孔阵排列，其直径严格相等，孔径范围d2为0.52um-0.68um，最优为0.68um，包层最内环有对称双大孔结构，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，由两个完全相同且处于对称位置的两个大孔径圆形空气孔，其直径严格相等，孔径范围d1为0.6um-1um，最优为0.8um，二者圆心之间的间距为2s,最优为2um，所有左右相邻的空气孔之间的间距完全相等，为s，最优为1um。大孔与小孔间的间距也为s,最优为1um，当上述参数取最优情况时对应于表1中的实施方案14，此时光子晶体光纤结构的色散曲线平坦近零，且在接近1550nm波长处具备色散零点和低限制损耗。

另外，本发明保护的低色散低损耗光子晶体光纤中所有左右相邻的空气孔之间的间距完全相等，所述间距为s，大孔与小孔间的间距也为s；任一空气孔与斜方向上的相邻空气孔的横坐标差距为s/2,纵坐标差为s；孔径参数与间距参数皆为可调整参数。

所述光子晶体光纤可正常工作的入射波长范围为400nm-1600nm，当所述光子晶体光纤的入射波长在1200nm-1600nm范围内时，所述光子晶体光纤色散曲线平坦近零，限制损耗较小，且在较大波长范围内存在可通过调整结构来调整的色散零点。

下面将结合具体的实施方案来进行说明和验证。

表1，实施方案对照表:

表1中，实施方案1-15结构包层为二氧化硅，包层最外环有两层较大孔径圆形空气孔，共72个，组成严格正六边形孔阵排列，其直径严格相等，为d3，所述包层内环有三层较小孔径圆形空气孔，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，共54个，组成严格正六边形孔阵排列，其直径严格相等，为d2，包层最内环有对称双大孔结构，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，由两个完全相同且处于对称位置的两个大孔径圆形空气孔，其直径严格相等，为d1，二者圆心之间的间距为2s，所有左右相邻的空气孔之间的间距完全相等，为s，大孔与小孔间的间距也为s。

表1中，实施方案1-15代表了对不同结构参数进行扫描的过程，其中实施方案1-5是扫描参数d1，实施方案6-10扫描参数d2，实施方案10-14扫描参数d3,实施方案15则代表对参数s进行修改。在扫描过程中，每一组参数值都代表本发明的一个实施例，通过仿真和理论公式计算，获取了不同结构参数情况下本发明所述光子晶体光纤对不同波长光信号的色散参数、有效模场面积、有效折射率和限制性损耗。

进一步的，实施方案1-5对应的色散参数曲线被绘制为附图2。

进一步的，实施方案1-5对应的有效模场面积曲线被绘制为附图3。

进一步的，实施方案1-5对应的有效折射率曲线被绘制为附图4。

进一步的，实施方案1-5对应的有限制性损耗数据被归纳为表2。

进一步的，实施方案5-10对应的色散参数曲线被绘制为附图5。

进一步的，实施方案5-10对应的有效模场面积曲线被绘制为附图6。

进一步的，实施方案5-10对应的有效折射率曲线被绘制为附图7。

进一步的，实施方案5-10对应的有限制性损耗数据被归纳为表3。

进一步的，实施方案10-14对应的色散参数曲线被绘制为附图8。

进一步的，实施方案10-14对应的有效模场面积曲线被绘制为附图9。

进一步的，实施方案10-14对应的有效折射率曲线被绘制为附图10。

进一步的，实施方案10-14对应的有限制性损耗数据被归纳为表4。

表2，不同d1下限制性损耗的数据变化：

表3，不同d2下限制性损耗的数据变化：

表4，不同d3下限制性损耗的数据变化：

经计算，对于以上实施方案中的结构参数，本发明所述光子晶体光纤在入射波长为400nm～1600nm范围内都存在着非常好的单模特性，光纤有效模场面积随入射波长呈现出缓慢增大趋势，入射波长在400nm-1600nm波段内时该结构的色散系数较为平滑且靠近零点，且在入射波长为1200-1550nm的波段内不同结构分别出现了零色散点，远低于现有光纤的色散数值，这使得本发明在长距离传输和短距离高精度光信号传输上具有优越的性能。随着结构参数d1的增大，零色散点在光纤色散系数分布图中变小左移，随着结构参数d2的增大，零色散点在光纤色散系数分布图中变大右移，因此通过对这两个参数值的调整，可以实现对零色散点的调节，这是本发明结构可调优势的体现之一。

经计算，在入射波长为400nm-1600nm的波段范围内本发明都存在着非常好的低限制损耗实施例，大部分实施例在相应波长上限制损耗为10^-5dB/cm数量级，即1dB/km数量级，完全符合长距离传输条件。

进一步的，通过扫描计算和参数优化，本发明获得了部分具有优越性能的实施例，例如实施方案13对1.45um波长光信号的限制性损耗达到了10^-8数量级，相较于现有光纤降低了三个数量级。实施方案1在1um-1.6um波长波段上具有平坦近零色散，色散的数值在此波段内不超过20，远低于现有光纤，这是本发明低色散优势的体现之一。

进一步的，实施方案14具有最靠近1550nm的色散零点，在1550nm附近波段具有极低的损耗和近零的色散。而1550nm为最常用的光信号波长。因此实施方案14具有最广泛的应用潜力，在无特殊需求前提下，视为最优实施方案。

进一步的，针对不同的应用场景和工作波长，相关从业者可在实施方案1-15中选择限制损耗最小，其他参数满足需求的实施例，这也是本发明结构可调优势的体现之一。

综上所述，本发明的这种光子晶体光纤具有低色散，低限制损耗和可调零色散的特性，并且结构简单、易实现，能满足在光通信和光纤传感的需求与超宽谱实验等特殊应用场景的零色散需求。

另外，本发明中的这种光子晶体光纤，可以通过在气孔内填充特定的气体、液体、纳米颗粒、液晶等，实现特殊的光纤性质，进而制成各种不同的高灵敏度传感器，例如，在气孔中填充对温度敏感的液体，可以使所述光子晶体光纤对温度敏感，由此可制成高灵敏度的温度传感器。

以下对本发明实施方案参数计算过程中使用的方法与理论公式进行解释：

本发明中的部分理论计算公式由多极法推导而来，多极法充分利用PCF包层空气孔结构的对称性及空气孔为圆形这两大特点,利用群论中的对称规则简化计算模型。与平面波法、正交函数展开法相比,该方法具有更优的运速度和精度;多极法的另一个优点是通过寻找系统行列式零点求解出的模式折射率是一个复数,通过实部可以求解PCF色散系数、色散斜率、有效模式面积等,通过虚部可以求解PCF损耗特性。多极法的缺点是当光纤包层空气孔层数和空气孔数量较多时,数据量急剧增加,系统算时间冗长,因此本文将包层空气孔层数Nr限定于七层。

在本发明中，有限元计算过程中已经包括了材料色散，因此模型优化过程中需要计算的仅波导色散，图2、5、8为计算得出的波导色散与材料色散之和的曲线，波导色散的计算公式为：

有效模场面积是评估光纤性能的重要参数，在光纤中的模场分布在纤芯和包层内，因此光纤的模场直径不与光纤直径等同。目前计算光纤模场直径的方法主要有高斯拟合法、PetermannⅠ法和PetermannⅡ法，本发明使用的是PetermannⅡ法，由此得到的有效模场面积的计算公式为：

限制性损耗是由PCF结构引起的，在光信号传输过程中，光并不能完全束缚在纤芯进行传输。对光子晶体光纤进行模式分析，我们可以得到纤芯模式的有效折射率n_eff，由它的虚部我们可以求出限制性损耗，计算公式为：

光纤限制性损耗的大小直接影响传输距离以及中继站间隔距离的远近。因此，限制性损耗为光子晶体光纤的重要评估参数，也是优化模型的过程中一直伴随计算的重要优化指标，但数据起伏较大且涉及不同数量级，因此在本发明中这一结果没有放在附图中，而是列为了表格2、3、4，其中限制损耗的单位为dB/cm。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种低色散低损耗光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤包括包层与纤芯，其中纤芯为包层的核心部分，所述包层沿光纤的横截面方向包括内外共六层圆形空气孔阵，孔阵内共三种不同孔径的圆形空气孔，最外环两层圆形空气孔孔径较大，孔径范围为0.6um-1um，呈正六边形孔阵排列，两层空气孔阵列之间存在一个无气孔带状区域；较内环三层圆形空气孔孔径较小，孔径范围为0.52-0.68um，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，呈正六边形孔阵排列；最内环一层是对称双大孔结构，孔径范围为0.6um-1um，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，为两个完全相同且处于对称位置的两个大孔径圆形空气孔，双大孔结构使所述光子晶体光纤结构具备2重旋转对称性。

2.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述包层最外环的两层较大孔径圆形空气孔，共72个，各孔径严格相等，两层空气孔阵列之间的无气孔带状区域宽度为s，参数s的取值范围为1um-1.6um。

3.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述包层较内环的三层较小孔径圆形空气孔，包裹于较大孔径圆形空气孔阵内部，共54个，各孔径严格相等。

4.根据权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述包层最内环的对称双大孔结构，包裹于较小孔径圆形空气孔内部，孔径严格相等，二者圆心之间的间距为2s。

5.根据权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于，所有左右相邻的空气孔之间的间距完全相等，所述间距为s，大孔与小孔间的间距也为s。

6.根据权利要求2所述的光子晶体光纤，其特征在于，任一空气孔与斜方向上的相邻空气孔的横坐标差距为s/2,纵坐标差为s。

7.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，孔径参数与间距参数皆为可调整参数。

8.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，在空气孔内填充特定气体、液体、纳米颗粒、液晶任一项，实现对应的特殊光纤性质，制成对应的高灵敏度传感器。

9.根据权利要求1所述的光子晶体光纤，其特征在于，所述光子晶体光纤可正常工作的入射波长范围为400nm-1600nm。

10.根据权利要求1所述的光子晶体光纤,其特征在于，当所述光子晶体光纤的入射波长在1200nm-1600nm范围内时，色散曲线平坦近零，限制损耗小，且在较大波长范围内存在可通过调整结构来调整的色散零点。